第二章生态系统能量流动

不同生态系统总初级生产量中用于呼吸的消耗
呼吸消耗占 比重 （％） 净生产效能 （净生产量/总生产量）
生态系统
弃耕地 苜蓿地 欧洲松人工林 松栎林 热带雨林
450年生花旗松林
15 23 38 39 55 71
85 77 62 61 45 29
• • • • •
（ 2）草食动物的消耗 因生态系统类型不同而有很大变化。 草地损失量约28％－60%之间。 森林为1.5%－2.5%。 水体生态系统浮游植物群落60％－99％。 思考：如何看待森林中的昆虫？
第二章 生态系统的能量流动
本章主要内容
• • • • • 一 二 三 四 五 关于能量的基本概念 生物能量的来源 生态系统的营养结构 生态系统中能量动态和储存 森林经营对生态系统中能量的影响
为什么要研究生态系统的能量流动？
• 能量是生态系统的驱动力。 • 林业、农业、渔业、牧业等工作者对森林、 农田、渔场、草原等的经营管理，应掌握 能量的输入和输出途径及其限制因素，以 达到高产目的，设法调整生态系统的能量 分配关系，使能量流向对人类最有益的部 分。
（三）初级消费者（草食动物）营养级
• 有关能量转化效率的概念： • （ 1）利用效率＝食物摄入量/被食者生产 量 • （ 2）同化效率＝同化的能量/食物摄取量 （ 3）净生产效率＝生产量/同化的能量 （ 4）总生产效率＝（2） × （3） ＝生产 量/食物摄入量 • （ 5）生态效率＝（1） × （2） × （3） ＝消费者生产量/被食者生产量
初级生产者 陆地与海洋生态系统的食物链
• 腐生食物链（分解食物链）: 指以死有机物质为 基 础，从腐生生物开始的食物链。森林是以腐生 食 物链为优势的生态系统。在森林中，有90%的 净生 产是被腐生生物所分解消耗的。 • 在自然界中不如捕食食物链明显，但是它是最 重 要的食物链。初级生产者合成的有机质只有一小 部分被动物取食，而在食物链中进行传递，大部 分 被分解者所分解。
2. 与生物量有关的概念：
生物量(biomass)：任一时间某一地方某一 种群、 营养级或某一生态系统有机物质的总 重量。一般以干重表示(kg/ha、g/m 2)。 现存量(standing crop)：单位面积上当时所 测得的生物体的总重量。 一般将现存量看成生物量的 同义词。
3.与生产力有关的概念：
食物网
这种以营养为纽带，把生物与环境、生 物与生物 紧密联系起来的结构，称为生态系 统的营养结构。
• （三）生态系统中的营养级 • 在生态系统中，如果某些有机体的食物取 自食 物链的同一层次，则这些有机体属于 同一营养级。
杂食动物往 往在不同的 食物链中处 于不同的营 养级，比如 人。 以……. 以草食动物 为 食的动物 草食动物 绿色植物 第四营养级 第三营养级 第二营养级 第一营养级
生产者
异养生物
肉食动物 (carnivores) 杂食动物(omnivores) 腐生物(saprotrophs)
消费者
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三、 生态系统的能量流动
（一）食物链 食物链(food chains)：植物所固定的能量通 过一系列的取食与被食关系在生态系统中进 行传递，生物之间存在的这种能量传递关系， 称为食物链。
3 净生产力和生物量
（1）生态系统生产力的变化 森林的总生产力一般在中年达到高峰， 然 后稍微下降达到一个稳定值；但呼吸作用 随 年龄的增加成逐渐增加的趋势；因此，净 生 产力在中年达到最高值。
林分总生产力
林分净生产力
林分呼吸
林分年龄
• （ 2）各种生态系统的生产力比较 ： • 奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为4级： • 最低：荒漠和深海，通常为0.1g/m 2•天或少于0.5 g/m 2 •天。 • 较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时农耕 地、 半干旱草原、深湖和大陆架0.5-3.0g/m 2 •天。 • 较高：热带雨林，长久性农耕地和浅湖，3-10 g/m2 •天。 • 最高：少数特殊的生态系统（农业高产田、 河漫 滩、三角洲、珊瑚礁、红树林），10-20 g/m 2 • 天。
• 如何提高生态系统的生产力？ • 天然条件下：温度的升高，雨量的增多。 人工条件下：营造高光合效能的速生树种， 树 种的合理混交，整地，灌溉，排水，施 肥，森 林抚育，病虫害防治等。 • 从实质上看，提高生产力的措施实际上是 向生态系统增加能量的投入。 • 温室效应的积极方面，在一定程度上可以 提 高地球陆地生态系统的生产力。
g/m 2•天
荒漠 草原、稀树 和极 干草原、深 热带雨林、 地 湖、山地森 浅湖、农耕 林 地
深海 大陆架
某些河口、珊瑚礁、冲积 平原、 有燃料补助的农业
（ 3）影响生产力的因素：
• 光照、温度、水分（降水）、养分、生长 期 和生物因子都会影响生态系统的生产力。 • 生态系统的结构也会影响生态系统的生产 力。 • 通过改善上述的各种生态因子，可以提高 森 林生态系统的生产力。
总初级生产力＝净初级生产力＋呼吸消耗
生物的生长过程实际是净 生产 力的积累过程。
（二）初级生产者（绿色植物）营养级
1 能量输入 ——光合作用 光合效能：太阳能量进入生态系统的效能。 生产量 X 100% 光合效能=
进入系统的太阳能量
测定值：1％－5％
2 能量消耗
• （ 1）呼吸的消耗 • 植物群落呼吸损失掉的能量变化幅度在15 ％－90％ 以上。 • 损失量从极地到热带逐次提高。原因：温 度增高， 尤其是夜晚温度高。从而影响植 物产量。
• 热力学第二定律(熵律entropy law) • 自然界中任何形式的能最终归宿是热能， 且不可逆。 • 在能量的转换过程中，总有一些能量损失 掉，一种形式的能不会全部转换成另一种 形式的能。
热力学的两个定律
第一定律：A = B + C 第二定律：C < A
A: 日光：100单位释放的能量
B: 热，98单位释放的能量形式
（四）生态系统中能量的流动
1.能量流动的过程：
呼吸作用 取食
取食
太阳
分解者
热
SUN
热
热
热
生产者
草食动物
肉食动物
第二级肉食动物
分解者
生态系统的能量流动
• 2.能量流动特点： • （ 1） “越流越细”，能量在流动过程中逐渐减 少。 到最后，不足以维持一个营养级，所以一般 营养 级不超过5个。 • （ 2）能量单向流动，不可逆。绿色植物固定的 能量最后都以热量的形式散发出去。 • 3.生态系统中的三种能流： • （ 1）第一种能流：沿草牧食物链进行的能流。 通 过捕食过程实现。 • （ 2）第二种能流：沿腐生食物链进行的能流。 通 过微生物的分解过程来实现。是还原和腐化过 程。 • （ 3）第三种能流：贮存和矿化过程。
一、热力学定律
热力学第一定律： 又称为能量守恒与转 化原理. （ Energy Conservation Law ） 能量可从一种形式转换成另一种形式， 但 能量即不能增加也不会减少。 如太阳 辐射能，通过绿色植物的光合作用 转变 为存在于有机物质化学键中的化学潜 能； 动物通过消耗自身体内贮存的化学潜能 变成爬、跳、飞、游的机械能。
4'C 3'C
3'C
2'C 1'C P 4'C
数量
2'C 1'C P
能量
2'C 1'C P
3'C
3'C 2'C 1'C P
落叶林
草地
落叶林及草地生态系统数量和能量金字塔
单位：公斤 1
鱼 浮游动物 浮游植物
10 100 1000
湖泊生态系统的生物量金字塔
能量金字塔
四 生态系统的能量动态和储存
• • • • （一）基本名词解释 1.与生产量有关的概念： 生产量(production)：一定时期内有机物质增加的总重量。 总生产量(gross production)：某一时期合成的有机物质 总量. • 净生产量(net production)：总生产量减去呼吸损失的部 分. • 初级生产量(primary production)：绿色植物的生产量. • 次级生产量(secondary production)：消费者的生产量.
4. 生物量在植物体内的分配
生物量在植物各器官中的比例关系 树干 枝条
总生物量
叶片 总根系
美国长岛松栎幼林 （Whittaker）：根：25％；树 干：40％；叶：33％；花果：2%
经营者的愿望 林业工作者：净生产量更多地分布于树干； 农民：要求农作物结出更多的种子或其他可食的块茎和根茎；
各器官的生物量之间具有相关性。
• 生产力(productivity)：指单位时间单位面积的生 产 量，即生产的速率。 • 总第一性生产力：也称为总初级生产力，指单位 时 间和单位面积内绿色植物通过光合作用所制造 的有 机物的总量（包括植物呼吸消耗掉的部分）。 • 净第一性生产力：也称为净初级生产力，指绿色 植 物除去呼吸消耗之后的有机物的积累速率。 • 地球上绝大多数的生物的能量来源于生态系统 的 净生产力。
C:糖，2单位 浓缩的能量形 式
SUN
橡树叶能量转换系统
二、 生物能量的来源 我们能利用的能量来自：太阳辐射、核能、 地热 太阳辐射能是生态系统中的能量的最主要 来 源。
万物生长靠太阳！
按能量来源将生物分为：
光能自养型(photoautotrophs)
自养生物
化能自养型(chemoautotrophs) 草食动物（herbivores）
大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米
螳螂捕蝉，黄雀在后!
食物链类型
• 草牧食物链（捕食食物链）: 是以绿色植物 为 基础，从草食动物开始的食物链。草原 和水体 生态系统是以草牧食物链为主的生 态系统。
绿色植物 草食动物 肉食动物
四级消费者 五级生产者 三级消费者 四级生产者 二级消费者 三级生产者 初级消费者 二级生产者
（五）生态金字塔(ecological pyramid)
1.概念：
把每个营养级有机体的数量、能量或生物量，按 营养级的顺序依次排列，绘制成图， 所得到的图 形就称为生态金字塔。
营 养 级
能量、数量、生物量大小
• 2.分类： • 生物量金字塔(pyramid of biomass) • 以各营养级的生物量为基础构建的生态金字塔， 一般为 正三角形。 • 数量金字塔(pyramid of numbers) • 以各营养级的生物个体数量为基础构建的生态金 字塔， 有时为正三角形，有时为倒三角形，有时 不能确切的体 现各营养级的能量变化关系。 • 能量金字塔(energy pyramid) • 以各营养级所包含的能量为基础构建的生态金字 塔，为 正三角形。 能量金字塔最能够确切的表示 各营养级能量的变化。
被食者生产量
摄取的能量
利用效率 同化效率 生 态 效 率
主要影响因素：品种，环境，经营措施
5. 能量流周转期
• 表明生态系统中能量流转的快慢。
生物量（g / m 2） 转换时间（年）= 净生产力（g / m 2 / yr） 凋落物积累量（g / m2 ） (凋落物）转换时间（年）= 凋落速率（g / m2 / yr） 陆地森林生态系统一般为20年， 水体浮游生物群落则少于20天。
植物残体 思考题： 森林与草原生态系统的能量流动有何不同？ 真菌 细菌 蚯蚓
• 寄生性食物链:由宿主和寄生生物构成。它 以大型 动物为食物链的起点，继之以小型 动物、微型动物、 细菌和病毒。后者与前 者是寄生性关系。
黄鼠 跳蚤 鼠疫细菌
树叶
尺蠖
寄蝇
寄生蜂
（二）食物网(food webs)
• 生态系统中的多条食物链相互交织、相互 连接形成的网状结构，称为食物网。 • 生态系统通过食物网维持着生态系统的相 对 稳定和平衡。 • 生态系统通过食物链推动着生物的进化， 成 为自然界发展演变的动力。
草食动物对生态系统净初级生产量的消耗
生态系统 成熟阔叶林 针叶人工林 人工经营牧地 海洋 海湾 初级生产者类型 草食动物的消耗量(%) 树木 松树 草本植物 浮游植物 浮游植物 1.5-2.5 12.5 30-45 60-99 75
（ 3）凋落物的消耗
除去草食动物危害以外，净生产量的另一个 损失 是凋落物量。尤其是森林中，凋落物消耗占 有很大 的比例，而草原相对较小。 森林内凋落物量从极地到赤道不断增加，与 生 物量和净初级生产力的变化规律相似。但赤道 地 区的凋落物的积累量 是最低的。